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在电力电子内部,最重大的一个元件即是IGBT。没有IGBT就不会有高铁的便利生计。
一提及IGBT,半导体系造的人都认为不即是一个分立器件(PowerDisceret)嘛,都很瞧不上眼。但是他和28nm/16nm集成电路建造相同,是国度“02专项”的重心扶植项目,这玩意是目前当前功率电子器件里本领开始进的产物,曾经周全替代了保守的PowerMOSFET,其运用特别宽泛,小抵家电、大到飞机、舰船、交通、电网等兵法性财产,被称为电力电子行业里的“CPU”,恒久以来,该产物(囊括芯片)依旧被独霸在小量IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA),位居“十二五”期间国度16个远大本领攻破专项中的第二位(简称“02专项”)。
1、做甚IGBT?
所谓IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由BJT(双极结型晶体三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)构成的复合全控型-电压启动式-功率半导体器件,其具备自关断的特性
简洁讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有强调电压的功用,导通时也许看做导线,断开时当做开路。IGBT合并了BJT和MOSFET的两种器件的利益,如启动功率小和饱和压低沉等。
而通常咱们在实践中行使的IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)经过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产物,具备节能、装置培修便利、散热不乱等特色
2、保守的功率MOSFET
为了等一下便于了解IGBT,我依旧先讲下PowerMOSFET的机关。所谓功率MOS即是要秉承大功率,换言之也即是高电压、大电流。咱们连系通常的低压MOSFET来说解怎样改观机关完成高压、大电流。
1)高电压:通常的MOSFET倘若Drain的高电压,很轻易致使器件击穿,而通常击穿通道即是器件的其余三端(S/G/B),是以要收拾高压题目务必堵死这三端。Gate端只可靠场氧垫在Gate底下分隔与漏的间隔(Field-Plate),而Bulk端的PN结击穿只可靠低沉PN结双方的浓度,而最腻烦的是到Source端,它则须要一个长长的漂移区来做为漏极串连电阻分压,使得电压都降在漂移区上就也许了。
2)大电流:通常的MOSFET的沟道长度有PolyCD决意,而功率MOSFET的沟道是靠两次分散的结深差来操纵,是以只需process不乱就也许做的很小,况且不受光刻精度的束缚。而器件的电流取决于W/L,是以倘若要得到大电流,只须要提升W就也许了。
是以上头的PowerMOSFET也叫做LDMOS(LateralDoublediffusionMOS)。固然如此的器件也许完成大功率请求,然而它照旧有它固有的瑕玷,由于它的源、栅、漏三端都在表面,是以漏极与源极须要拉的很长,太浪掷芯单方积。况且由于器件在表面则器件与器件之间倘若要并联则繁杂性增添况且须要分隔。是往后来进展了VDMOS(VerticalDMOS),把漏极统一放到Wafer后背去了,如此漏极和源极的漂移区长度齐全也许经过后背减薄来操纵,况且如此的机关更利于管子之间的并连合构完成大功率化。然则在BCD的工艺中依旧的哄骗LDMOS机关,为了与CMOS兼容。
再给众人讲一下VDMOS的进展及演化吧,最先的VDMOS即是直接把LDMOS的Drain放到了后背经过后背减薄、Implant、金属挥发制做出来的(以下图),他即是传闻中的PlanarVDMOS,它和保守的LDMOS比挑战在于后背工艺。然则它的利益是正面的工艺与保守CMOS工艺兼容,是以它依旧有性命力的。然则这类机关的瑕玷在于它沟道是横在表面的,面积哄骗率依旧不敷高。
再后来为了战胜PlanarDMOS带来的瑕玷,是以进展了VMOS和UMOS机关。他们的做法是在Wafer表面挖一个槽,把管子的沟道从原本的Planar变为了顺着槽壁的vertical,果真是个灵巧的主意。然则一个馅饼老是会搭配一个圈套(IC建造老是在持续trade-off),如此的机关天生的瑕玷是槽太深轻易电场会合而致使击穿,况且工艺难度和成本都很高,且槽的底部务必绝对rouding,不然很轻易击穿或许形成应力的晶格缺点。然则它的利益是晶饱数目比原本多良多,是以也许完成更多的晶体管并联,对照恰当低电压大电流的application。
尚有一个典范的东西叫做CoolMOS,众人自身谷歌进修吧。他该当算是PowerMOS撑电压最高的了,也许到V。
3、IGBT的结洽商旨趣
上头引见了PowerMOSFET,而IGBT原本实质上依旧一个场效应晶体管,从机关上看和PowerMOSFET特别挨近,就在后背的走电极增添了一个P+层,咱们称之为InjectionLayer(名字的来由等下说).。在上头引见的PowerMOSFET原本根底上来说它依旧保守的MOSFET,它照旧是简洁载流子(多子)导电,是以咱们还没有表现出它的极致本能。是往后来进展出一个新的机关,咱们怎样也许在PowerMOSFET导通的时分除了MOSFET自身的电子我还能从漏端注入空穴不就也许了吗?是以天然的就在漏端引入了一个P+的injectionlayer(这即是名字的来由),而从机关上漏端就多了一个P+/N-drift的PN结,不过他是正偏的,是以它不影响导通反而增添了空穴注入效应,是以它的性格就雷同BJT了有两种载流子参加导电。是以原本的source就变为了Emitter,而Drain就变为了Collector了。
从上头机关以及右侧的等效电路图看出,它有两个等效的BJT背靠背链接起来的,它原本即是PNPN的Thyristor(晶闸管),这个东西不是咱们锐意做的,而是机关生成的。我在5个月前有篇文章讲Latch-up(
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